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一阶常微分方程的MATLAB辅助教学.docVIP

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一阶常微分方程的MATLAB辅助教学.doc

一阶常微分方程的MATLAB辅助教学 第23卷第4期 2004年12月 南昌水专 JournalofNanchangCollegeofWaterConservancyandHydroelectricPower V0】.23№.4 Dec.2OO4 文章编号:1006—4869(2o04)o4—0035—04 一 阶常微分方程的MATLAB辅助教学 李新猷 (南昌工程学院水利与土木工程系,江西南昌330099) 摘要:利用MATI_AB进行一阶常微分方程的计算机辅助教学,探讨用MATI_AB进行一阶常微分方程辅助教学的 可行性,方便性. 关键词:MATLAB;一阶常微分方程;解析法;数值法;几何法;方向场 中图分类号:0245;TBll5文献标识码:A 0引言 一 阶常微分方程的解法是高等院校微分方程教 学中首先的教学内容,是微分方程的基础.常微分方 程的解法理论上有解析法,数值法,几何法三个方 向.解析法即初等积分法,用初等积分方法求解常微 分方程的解析解;数值法即数值逼近法,用数值逼近 思想求出常微分方程在一定误差范围内的近似解; 几何法则是根据常微分方程提供的能得知的积分曲 线的信息,如某点的斜率,绘出微分方程的大致积分 曲线. 目前,在一阶常微分方程的教学中一般只讲授 解析法,数值法一般在后续课《数值分析》中讲解,几 何法几乎不作介绍.所以对于初次接触微分方程的 学生来讲,很难理解积分曲线,方向场等概念. 用MATLAB软件进行计算机辅助教学,能同时 接触这三种解法.MATLAB软件是美国Mathworks公 司推出的用于数值计算和图形处理的一个优秀数学 软件,具有强大的计算,仿真,绘图等功能.在MAT— LAJB环境下,用户可以集成地进行程序设计,数值计 算,图形绘制,输入输出,文件管理等各项操作,广泛 用于工程技术界.在美国的一些大学,MATLAB是一 门必修课【¨,它是数值线性代数以及其他一些高等 应用数学课程进行辅助教学的优良工具.MATLAB 内提供了一系列求解高等数学问题的命令和绘图命 令.利用高等数学命令可以求解函数的导数,积分, 微分,常微分方程(组)解等.利用绘图命令可以绘出 各式各样的二维,三维图形.MATLAB可以进行编程 运算,对一些复杂问题的计算或复杂图形的绘制,可 收稿日期:20o4—10—25 作者简介:李新猷(1970一),男,江西峡江人,工程师. 以编程实现. 1求解一阶常微分方程的解析解 解析解通常用解析法即初等积分法来求解,一 阶常微分方程教学中主要就讲授如何求解解析解. 解析法能求出一阶常微分方程的通解,并且求出来 的是精确解.所以对于一些简单的微分方程,尽量用 初等积分法解.MATLAB提供了一个专门求微分方 程,微分方程组解析解的命令:dsolve.dsolve能求出 通解和特解.对特解,可用MATLAB的ezplot绘图命 令绘出积分曲线. dsolve()的命令格式: dsolve(eql,eq2,…,eqi,…,condl,cond2, … ,condi,…,v) 其中表示第i个微分方程;condi表示第i 个初始条件,如果求通解则不填;Vt表示自变量,默 认的自变量为t. ezplot()的命令格式为 ezplot(f,[xmin,xmax,ymin,ymax]) 其中.厂为函数名,xmin,m为轴上图形显示 的范围,ymin,ymax为Y轴上的显示范围. 例l求微分方程:l+的通解. 解求解的命令格式为 dsolve(Dy=l+,X). 求得的结果为 arts=1/4*x^4+x+C1. 化简输出结果,输入pretty(ans),得到通解 南昌水专2004年第4期 {x4+x+c1. 例2求微分方程=1+x3满足初始条件 ,(0)=l的特解,并画出积分曲线图形. 解第一步,求特解的命令格式为 r=dsolve(Dy=1+x^3,y(O)=1,x). 得到的结果为 r=1/4)+x+1. 第二步,画出积分曲线图,画积分曲线图用命令 ezplot,命令格式如下,结果见图1 图1解析法积分曲线图 ()}的近似解Y. 现在求微分方程数值解的方法有很多,常用的 有向前欧拉方法,向后欧拉方法,梯形法,龙格一库 塔方法等[.这些方法均用迭代思想,实现方法在此 就不详述.这些方法都十分适合用计算机来求解,例 3就是用MATLAB实现向前欧拉方法的实例.为了 对比数值法计算的精确度,例3,例4选用的是能用 解析法解出来的例子. 例3在M_ATLAB中用向前欧拉方法解出微分 方程=一,,+1的数值解,已知初值,,(o)=1. 解MATLAB中没有现成的实现向前欧拉方法 的函数,但能编写命令函数.欧拉方程的原理不详 述,只给出其迭代方程,假设一阶方程的形式为 = ). 则迭代方程的形式为

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